目前廣泛應用的超聲波檢（jiǎn）測技術大多基於超（chāo）聲體波，由於超（chāo）聲體波的傳播特（tè）點，需要對結（jié）構進行逐點檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點；同時逐點掃描（miáo）的檢測（cè）方式也限製了其在結構健康監測領域的（de）應用。

    超聲導波是體波在結構界麵反射疊（dié）加形成的沿結構界麵（miàn）傳播的應力波。超聲導波相對於體波具有衰減小（xiǎo），傳播距（jù）離長（zhǎng）的特點（diǎn），可實現對形狀規則的大結構件的快速無損檢測；並且具有（yǒu）在線應用潛力（lì），可作為結構健康在線監測的技術手段。

    但是超聲導波相對於體波更加複雜，主要表現為兩（liǎng）方麵：一方麵為導（dǎo）波的多模態特（tè）性，即同一頻（pín）率下同時存在有多種導波模態；另一方麵為頻散特性，即同一模態導波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導波的複雜性對（duì）檢測平台和（hé）檢測方法提出了更（gèng）高的要求。

    解（jiě）決方案：

    超聲導（dǎo）波檢測方法為主動檢（jiǎn）測，包括信號的激發的和接收。針（zhēn）對導波的多模態的特性，擬采用單（dān）一模態導波作為檢測信號（hào），因此需要在檢測平台從信號激（jī）發和接收兩方麵抑製其（qí）他模態。主要通（tōng）過傳感器尺寸，信號激發頻率，優化匹配實現單一導波模態激發。

    為了（le）實現對被檢對象的快速檢測，根據（jù）雷達（dá）原理發展了適用（yòng）於超聲導波的（de）相控陣列及信（xìn）號處理算法，以此實現對材料損傷的快速成（chéng）像檢（jiǎn）測。

    1 應（yīng）用（yòng）背景

    隨著當前（qián）對大型設備結構安（ān）全性的日益關注，無（wú）損檢測技術已成為現代結構設備製造和使用過程中必不可少的檢（jiǎn）測手段之（zhī）一, 廣泛應用於各個領域，如航空航天領域、電力生產領域、石化輸運加工（gōng）領域等。這（zhè）些領域的設備結構通（tōng）常處於（yú）較（jiào）惡劣的工作條件，容易發生磨損、腐蝕（shí）、疲勞、蠕變等損傷，進而造成結構（gòu）內部產生（shēng）缺（quē）陷（xiàn），危害（hài）結構（gòu）安全性。因此對這些設（shè）備結構進行實時監（jiān）測和診斷成為無損檢（jiǎn）測技（jì）術應用（yòng）中的一個重（chóng）要方麵。

    目（mù）前工（gōng）業界（jiè）常用的五大無損檢測方式包括：滲透檢測，磁粉檢測，渦流檢測，超聲（shēng）波檢測，射線檢（jiǎn）測。在這（zhè）五種檢測方式中，超聲波檢測由於適用範圍廣（既可檢測金屬，也可檢測非（fēi）金（jīn）屬），對人體無害而應用較（jiào）為普遍。目前（qián）常規的超聲波檢測主要使用體波，隻能檢測探（tàn）頭覆蓋區域或者探頭周圍很小範圍，因此（cǐ）通常采用逐點檢測的方（fāng）法。逐點檢測（cè）方（fāng）法的缺點（diǎn）就是檢測效率低，檢測成本高（gāo）。而使用超聲導波的無損檢測技術則可以有效地（dì）解決這一問題。

    超聲導波是目前常規應用超聲（shēng）體波（bō）的疊加組合。在（zài）無限均勻各向同性彈性介質中, 隻存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波， 二者分別以各自的（de）特（tè）征速度傳播（bō）而無波型耦合。 在有限尺寸波（bō）導(如平板、圓管) 中傳播的縱波和橫波由於受到邊界的製約以及在（zài）邊界處發生不斷的模態轉（zhuǎn）換，將會產生沿波導傳播的超聲（shēng）導波。因此超聲導（dǎo）波是由超聲體波（包括縱波和（hé）橫波）在（zài）波導（dǎo）上下界麵間反射（shè）疊加而形成的沿波導傳播的一種應力波。

    由於超聲（shēng）導波（bō）是在具有上下界麵的固體中傳播（bō）的應力波，其（qí）衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距（jù）離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發點向三個方（fāng）向（xiàng）擴散，其衰減與（yǔ）傳播距離的平方成（chéng）正比。因此超聲導波的衰減相（xiàng）對體波來說小很多，可以沿波導傳播很長距離。

    基於超（chāo）聲導波傳播距離長的特點，其在無損檢測應用中可以實現一次檢測數米距離，是對傳統逐點掃描方式的極（jí）大改進。同時，對於發電領域和石化（huà）領域常見的包覆及埋（mái）地結構，利用超聲導波檢測技術隻（zhī）需要一點接入就可以檢測數米距離，不需要完全暴露結構，可（kě）以極（jí）大（dà）的提高效率並降低成本。

    由於超聲導波（bō）檢測距離長、範圍（wéi）廣，具有在線應用潛力，可以作為結構健康狀態（tài）檢測(SHM)的技術手段。

    2 麵（miàn）臨問題

     由於超聲（shēng）導波是超聲（shēng）體波在波導中的反射和疊加，因此超聲導波相對體波（bō）來說更（gèng）加複雜，表（biǎo）現（xiàn）為多模態和頻散特性。

    對於表麵處於（yú）自由邊界條件（jiàn）下的各相同性板狀構件，其頻散關係可表達為：

    (1)其中，h是平板半壁厚（hòu），ω角頻率，k是（shì）波數，VL和（hé）VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達方式，當α=0代表對（duì）稱模態，當（dāng）α=π/2代表非（fēi）對稱模態。

    根（gēn）據平（píng）板中的頻散關係可以得出導波頻（pín）散曲線（xiàn），如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時存在多種導波模態。如800kHZ以下，同時存在有有（yǒu）三種模態，分別為A0模態、S0模態和SH0模態。隨著頻率的增加，同時存在（zài）的導波模態數也會隨之增加（jiā），如在2MHz下，平板內存在有8種可傳播模態。導波這種多模態效應會使得接收到的缺陷反射信（xìn）號複雜化，對其檢測（cè）應用產生較（jiào）大影響。

    另外從頻散曲（qǔ）線圖中還（hái）可以看出，同一模（mó）態導波在不同頻率下的傳播（bō）速度會發生變（biàn）化，這將導致激發信號中不同頻（pín）率的成分隨傳（chuán）播距離的增（zēng）加逐漸分散，導致激發信號時域延長，幅（fú）值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態（tài）在2mm厚鋼板中（zhōng）激發波包隨傳播（bō）距離的變化（huà）過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導波的頻散特性將會導致波包在時域上的（de）延長，同時波包幅值也將嚴重降低。這（zhè）種現象將造成檢測（cè）信號的疊混和減弱，使得缺陷（xiàn）特征無（wú）法識別。

    (a)頻率-波數曲線

    (b)頻率-相速度曲線

    (c)頻率-群速度曲線（xiàn）

    圖1.  2mm厚鋼板的頻散曲線

    (彈性模量216.9GPa，泊鬆比0.28，密度7.9×103kg/m3)

(a)                                      (b)

(c)                                     (d)

      圖2 中心頻率為（wéi）200kHz的（de）A0模態在2mm鋼板中的頻散現象（xiàng）

      (a為（wéi）激發信號（hào）；b為傳播1000mm厚波形；c為（wéi）傳播1500mm後波形；d為傳（chuán）播2000mm後波形)

      導波（bō）的多（duō）模態（tài）和頻散特點使其在信（xìn）號激勵、質點振動、傳播、接收和信息提取等方麵均比常規（guī）超聲波檢測複雜。為了利用（yòng）超聲導波進行檢（jiǎn）測需要從信號的激發、傳（chuán）播、接收和信號提取等方麵發展適用於超聲導波的方法（fǎ）和技術。

      3 解決方案

      3.1 單模態超聲導波激發

      超聲導波具有多模態的特點，隨著激發頻率的增（zēng）加導波模態數不斷增加。導波的多模（mó）態特點（diǎn）會增加信號複雜性，使缺陷特征信號（hào）難以識別。因此為了適用於檢測應用，需要激（jī）發單一導波模態。

    根據導波（bō）頻散特性曲線，在高階導波模（mó）態截止頻率以下(對（duì）於2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種（zhǒng）0階導波，包擴對稱模態S0、非對稱模態A0、水平剪切模態SH0。因此控製激發信號（hào）頻率在高階導波截止頻（pín）率以下可以將（jiāng）導波模態數降（jiàng）至三種。

    對於S0、A0和SH0模態，其模態形（xíng）狀存在區別。A0模態主要以離麵位（wèi）移為主，如圖3(a)所示，S0模態和SH0模態主要以麵內位移為主，其中S0的位移方向於波傳播方向平行，如圖3(b)所示，SH0模態的位移方向與波傳播方向垂直，如圖3(c)所示（shì）。

    (a)  A0模態激發示意                    (b)S0模態激發示意

    (c)SH0模態激發示意

    圖3 不同導波模態激發施力圖

    超聲導波激發的實質上就是在被檢測對象中耦合進模態所（suǒ）對應的應力波，為了獲得單一的導（dǎo）波模態，需要通過傳感器優化來增強所需模態對應的表麵應力（lì）分布，同時抑製其他模態對應的表麵應力分布。

    目前可（kě）以用於在被檢測結構中耦合進導波應力場（chǎng）的傳感器可分為如（rú）下幾類：壓電式換能器，電（diàn）磁聲換能器(EMAT)，磁致伸縮換能器，激光超聲換能器。壓（yā）電式換能器主要利用晶體材料的壓電效應和（hé）逆壓電（diàn）效應作（zuò）為導波激發和檢測傳感器（qì），目前常用的壓電材料主要有PZT和柔性（xìng）的PVDF。其中PZT材料的壓電轉換效率較高，成本較低（dī），但是材（cái）料無法彎（wān）曲；PVDF材料也具有壓電效應，但是其壓電性相對於PZT材料要低（dī），其優（yōu）點在於材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通（tōng）過改（gǎi）變金（jīn）屬結構中的電磁場，利用Lorenz力激勵導波應力（lì）場。用（yòng）於（yú）超聲導波激發的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸縮效應實現導波應力場的激發。激光聲（shēng）換能器利用激光脈（mò）衝束在被檢測構件表麵（miàn）產生熱應力振動，實現超聲導波的激發，激光聲換能激發方式的儀器（qì）體積較大（dà），成本較高，不適於現場（chǎng）檢測（cè）應用（yòng），目前主要（yào）用於實驗室研究工作。

    上述導波換能器中，PZT壓電晶片具有體積小、重（chóng）量輕（qīng）、成本低的優點，適用於結構健康狀態（tài）監測應用，因此目前各國研究團隊主要使（shǐ）用PZT壓電晶片作為導波激發和接收換能器。